阅读说明：本技术 一种用于铜互联电路中的扩散阻挡层 (Diffusion barrier layer for copper interconnection circuit ) 是由 马旭梁 任义 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：一种用于铜互联电路中的扩散阻挡层材料及其制备方法,本发明涉及一种新型有机材料的成分设计并对新型有机材料进行初选及优选。本发明主要解决目前传统的Ta/TaN扩散阻挡层的耐温性及覆盖性问题,新型有机扩散阻挡层的覆盖率远高于Ta/TaN材料。本有机物由C、H、O、N、Si五种元素组成。本发明以Si(100)为基体,通过有机物自组装生长的方法制得。本材料的力学性能和电学性能良好。本发明制备的材料可用于集成电路中阻止铜的硅相互扩散。(The invention discloses a diffusion barrier layer material for a copper interconnection circuit and a preparation method thereof, and relates to component design of a novel organic material and primary selection and optimization of the novel organic material. The invention mainly solves the problems of temperature resistance and covering property of the traditional Ta/TaN diffusion barrier layer at present, and the covering rate of the novel organic diffusion barrier layer is far higher than that of a Ta/TaN material. The organic matter consists of C, H, O, N, Si kinds of elements. The invention takes Si (100) as a matrix and is prepared by a method of organic matter self-assembly growth. The material has good mechanical property and electrical property. The material prepared by the invention can be used for preventing the silicon interdiffusion of copper in integrated circuits.)

一种用于铜互联电路中的扩散阻挡层

技术领域

本发明涉及一种新型有机材料的成分设计。

背景技术

扩散阻挡层主链的设计理念及终端基团的选择，对于进一步实现器件小型化起着至关重要的作用。铜，由于其具有较高的电迁移电阻和优良的导电性能，是超大规模集成电路中创建多级互连结构的首选金属。由于铜在硅这种低介电常数介质中具有很高的扩散系数，因此需要在硅基底上制备扩散阻挡层薄膜来防止铜扩散到层间介质中，避免由此导致的漏电流增大引起器件失效。

传统的无机扩散阻挡层为Ta/TaN双层结构，该阻挡层有以下几个优点：钽是过渡金属，其熔点非常高；钽的热稳定性好，不会与铜在高温条件下发生互溶；钽与硅在650℃才会反应，生成的化合物主要是TaSi₂。但是随着集成电路的迅速发展，对器件的尺寸要求也越来越小，传统的Ta/TaN扩散阻挡层也遇到了一些技术难题。尤其在较大深宽比的沟槽中，Ta扩散阻挡层覆盖性降低，导致铜无法完全覆盖沟槽，形成孔洞，进而引起导线的电阻增大导致断路。为了解决这类问题，许多过渡金属被选择为替代材料，例如Pd、Ir、Ru、Co、Mo等。但是这些金属比较稀有且价格昂贵，不适宜应用在实际的大规模集成电路工艺中。而且，根据国际半导体技术的发展路线要求，2015年对第一层金属布线的扩散阻挡层厚度要求为1.9nm，并且厚度逐年降低。因此必须寻找新的材料和工艺来进行改进，从而达到降低阻挡层厚度，提高器件的寿命。考虑到传统的扩散阻挡层材料均是无机物，我们把研究方向转移到了有机材料，寻找可以作为扩散阻挡层的有机薄膜。

经过近15年的探索，有机纳米分子层(molecular nanolayers,MNLs)作为新型的铜扩散阻挡层，展现了特定的优势和潜力。自组装单分子层(self-assembled monolayer,SAM)有三部分组成：头基、烷基链和末端官能团组成。每个部分都可以进行定制，以实现特定的层表面化学、结构和厚度。特别地，在选择合适的SAM分子作为扩散阻挡层时，应该考虑几个结构方面的因素。例如，SAM封头基团与基体之间的选择性和粘滞强度影响薄膜的填充密度和热稳定性；SAM链的长度影响薄膜的填充密度和排列顺序；选择的SAM的终端基团会影响SAM层与Cu层之间的粘附性。近年来，Ramanath等人已经证明了SAM膜不仅可以作为抑制Cu在底层SiO₂层扩散的抑制剂，还可以增强Cu/SiO₂界面的粘附性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于铜互联电路中的扩散阻挡层材料及其制备方法，该阻挡层的覆盖性好，电学性能和耐温性能好，最薄可为1.3nm。为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：一种用于铜互联的扩散阻挡材料，包括APTMS，作为改进的是3,5-二氯苯甲酸。

附图说明

图1是APTMS的三维AMF图像。

图2是改性后的SAMs的三维AFM图像。

图3为改性后的SAMs的SEM图像。

图4为改性后的SAMs的EDS元素图谱分析。

具体实施方式

上述用于铜互联的阻挡层材料制备方法，包括以下步骤。

步骤1，将硅晶片切割成10mm*10mm大小的试片，然后用丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗10min，以去除硅片表面的有机物，置于惰性环境下备用。

步骤2，实验时取出硅片，用去离子水清洗。之后在120℃恒温油浴锅的条件下，将硅片在浓硫酸和双氧水的混合溶液(体积比为4：1)中浸泡10min。由于溶液具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于溶液中，并且把有机物氧化成CO₂和H₂O除去。

步骤3，将硅片从步骤2中取出，用去离子水超声震荡清洗。然后在室温下用10％HF浸泡10min，洗去表面的自然氧化层。此时可以观察到表面由亲水变成疏水。

步骤4，将硅片从步骤3中取出，用去离子水清洗。在85℃恒温油浴锅中，将硅片在去离子水、双氧水和氨水的混合溶液(体积比为5：1：1)中浸泡10min。由于H2O2的作用，硅片表面又生成一层薄的SiO2层，此时可以观察搭到硅片表面由疏水变成亲水。

步骤5，将硅片从步骤4中取出，用去离子水清洗。在85℃恒温油浴锅中，将硅片在去离子水、双氧水和浓盐酸的混合溶液(体积比为6：1：1)中浸泡10min。来去除表面的钠、镁、铁等金属沾污。

步骤6，最后，将硅片取出，用去离子水清洗干净，然后用氮气吹干备用。

步骤7，取2mmol的3-氨丙基三甲氧基硅氧烷(APTMS)加入到20ml甲苯中，用超声震荡仪将溶液分散均匀，然后将羟基化后的硅片放入其中，加入痕量去离子水，让APTMS自组装2h。

步骤8，取出硅片，用甲苯和乙醇依次超声清洗5min，然后用氮气吹干。

步骤9，将192mg 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC)和116mgN-羟基琥酰亚胺(NHS)溶于20ml乙醇中，加入3,5-二氯苯甲酸，反应半小时。

步骤10，加入硫氢化钠，超声震荡使其充分溶解，将生长了APTMS的硅片浸泡到其中，在70℃很稳水浴锅中原位改性2h。

步骤11，将样品安装在真空室的靶台上，在真空环境下，采用直流磁控溅射技术，以高纯Cu作为靶材，在氩气环境中制备Cu膜。溅射压为0.3pa，氩气流速为30sccm，溅射功率为120W，沉积厚度为50nm。

对制备的器件进行性能测试，发现器件在500℃时仍能保证电阻在0.2Ω，且未出现Cu-Si化合物。